进程和线程

进程和线程

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进程的相关概念 是历年操作系统选择题必考，关键在于几点：进程和线程、进程状态转换、进程内存空间的架构。

在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，为此操作系统引入了 进程 (Process) 的概念，以便更好地描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发性。

进程

进程是系统资源分配的基本单位。进程拥有独立的系统资源，包括内存空间、文件描述符、CPU 时间片等，这些资源的分配由操作系统负责。

进程和程序

程序是 静态的，进程是 动态的，进程可以理解成运行的程序，两者的具体区别如下：

  • 程序
    • 程序是一组指令的静态集合，它存储在磁盘等持久性存储介质中。
    • 程序是被动的，它本身并不执行任何操作。
    • 一个程序可以多次运行，每次运行都会创建一个新的进程。
  • 进程
    • 进程是程序在内存中执行的实例。
    • 当一个程序被加载到内存中并开始执行时，操作系统会创建一个进程。
    • 进程是动态的，它代表了程序的执行过程。
Disk
program
CPU
Memory
process
stack
code
static data
heap
Loading:

读取磁盘中的程序并将其加载到进程的地址空间中
code
static data
进程控制块

操作系统通过 进程控制块（PCB，Process Control Block）对进程进行管理，进程控制块中包含一系列 进程的元信息，这些元信息帮助操作系统对进程进行管理：

进程描述信息进程控制和管理信息资源分配清单处理机相关信息
进程标识符（PID）进程状态代码段指针通用寄存器值
用户标识符（UID）进程优先级数据段指针地址寄存器值
代码运行入口地址堆栈段指针控制寄存器值
程序的外存地址文件描述符标志寄存器值
等待时间
CPU 占用时间

上表给出了 PCB 的关键内容，其中进程描述信息用于唯一标识和管理进程，以及实现用户级别的权限控制；进程控制和管理信息用于管理进程的生命周期、调度和执行；资源控制清单记录进程使用的资源，以便进行有效的资源管理和分配；处理机相关信息保存与处理器相关的状态信息，以实现上下文切换。

进程控制块 在操作系统 进程 管理的多个阶段都发挥重要作用：

  • 进程创建和终止：在进程创建时，操作系统为它新建一个PCB（进程控制块）。该结构在进程存在期间常驻内存，可以随时存取，并在进程结束时删除。
  • 进程调度：当操作系统进行进程调度时，会根据PCB中存储的信息（如优先级、进程状态）来决定哪个进程应该获得CPU的控制权。
父子进程

在操作系统中，进程 是程序执行的基本单位。父子进程 是指通过 进程创建机制 生成的一种层级关系：

  • 父进程：创建新 进程 的 进程。
  • 子进程 ：由 父进程 创建的 进程。

子进程 通常由 父进程 通过 fork 系统调用 建立。子进程是父进程的副本，继承父进程的代码段、数据段、堆栈等资源，但拥有自己的独立地址空间和执行状态。两者可以通过进程间通信（IPC）机制（如管道、信号、共享内存）进行数据交换或同步。

fork 系统调用的声明为 pid_t fork(void)，其返回值为一个整数，可以用于判定该程序是 父进程 还是 子进程：

  • 在 父进程 中，返回值为 子进程 的 pid（pid > 0）。
  • 在 子进程 中，返回值为 0。

fork 调用后，父进程 和 子进程 从 fork 调用后的下一条指令开始继续执行。子进程 获得 父进程 的 代码、数据 和 堆栈 的副本，但两者地址空间独立。

fork()
fork()
exit()
wait()
child (pid = 0)
parent (pid = 0)
parent resumes

除了 fork 系统调用外，还有一个 exec 系统调用，两种具有不同的功能，需要能够区分：

  • fork：创建 子进程，复制 资源，不改变程序，父子进程 继续执行原代码。
  • exec：在当前 进程 中加载并执行一个新的程序。替换当前 进程 的 代码段、数据段 和 堆栈，保留部分 资源 如 进程 PID，不涉及到并发。

此外，父进程 可以通过 wait 系统调用等待 子进程 执行结束，并获取 子进程 的退出状态，防止 进程 成为 僵尸进程。

注意

僵尸进程 （Zombie Process）是指一个已经终止（完成了其执行）的 子进程，但其 父进程 尚未通过 wait 或 waitpid 系统调用回收其退出状态。僵尸进程 虽然不再运行，但仍在 进程表 中保留一个条目，占用系统 资源，直到 父进程 回收或 父进程 终止。

孤儿进程 （Orphan Process）是指 父进程 在 子进程 终止前退出，导致 子进程 失去 父进程 的 进程。孤儿进程 与 僵尸进程 不同，它仍在运行，只是失去了原来的 父进程。

下表给出了两者的对比：

项目僵尸进程（Zombie Process）孤儿进程（Orphan Process）
状态已经终止（执行完毕）仍然在运行
父进程是否存在存在，但未调用 wait()/waitpid() 回收子进程状态父进程已终止
占用资源占用进程表项（PID 仍存在），不占用内存等资源占用资源，正常运行中

线程

线程是系统调度的基本单位。多核处理器可以将系统中的不同 线程 调度到不同的 CPU 逻辑核心上，所以在同一个时刻，系统中的 线程 可能会在不同的逻辑核心上并行运行。

每个 进程 启动的时候，都包含一个 线程（主线程），可以在主线程外创建更多的 线程。

Code
Data
Files
Stack
Registers
Processes
Code
Data
Files
Stack
Multi-Threaded Process
Register
Stack
Register
Stack
Register
T1
T2
T3
T1
T2
T3

如上图所示，一个 进程 中的所有 线程 都共享 虚拟地址空间 和系统 资源，但是每个 线程 都维护自己的 堆栈、寄存器和一些额外信息。

在一个 进程 中没有创建 线程 时，则该 进程 为 单线程进程，否则该 进程 中包含多个 线程。

Stack
Stack
Program + Data
Stack
Heap
Program + Data
Stack
Stack
单线程的进程
包含多个线程的进程
进程的
内存空间

单线程进程 只有一个线程，独占进程的虚拟地址空间和系统资源，如文件描述符和内存。线程维护自己的堆栈和寄存器，无需同步，但无法利用多核CPU，且阻塞会影响整个进程，适合简单任务，但并发性和响应性较差。

多线程进程 包含多个线程，共享虚拟地址空间和系统资源，如代码段和堆，便于高效通信。每个线程有独立的堆栈、寄存器和线程ID，需通过锁等机制同步以避免资源竞争。

进程的状态

进程状态 是指在操作系统中，一个 进程 在执行过程中的不同阶段。它反映了 进程 当前正在做什么，以及是否可以被 CPU 执行。

状态种类

不同的操作系统对 进程状态 的划分可能不同，但常见的包括以下几种：

  1. 创建状态（New）：当 进程 被创建但还未分配资源或执行时，它处于 创建状态。
  2. 就绪状态（Ready）：在 就绪状态 中，进程 已准备好执行，但由于操作系统调度算法或其他原因，尚未获得 CPU 时间片。
  3. 运行状态（Running）：在 运行状态 中，进程 正在执行指令并占用 CPU。
  4. 阻塞状态（Blocked）：当 进程 在等待某些事件发生时，如等待 I/O 操作完成或等待其他资源时，它会进入 阻塞状态。在 阻塞状态 下，进程 暂停执行，直到等待的事件发生。
  5. 终止状态（Terminated）：当 进程 执行完毕或被操作系统终止时，它进入 终止状态。

状态转化

新建
就绪
运行
终止
阻塞
创建
调度
时间到
事件等待
事件发生
退出
  1. 就绪态 → 运行态
    • 调度：当操作系统的调度器选择一个就绪状态的进程分配给处理器时，该进程就会从就绪状态转换到运行状态。
  2. 运行态 → 就绪态
    • 时间片用完：如果系统使用时间共享调度，当进程的时间片用完，它会被中断并放回就绪队列。
    • 优先级更高的进程就绪：在优先级调度算法中，如果一个优先级更高的进程变为就绪状态，当前运行的进程可能会被挂起。
    • 自愿放弃 CPU：进程可能主动放弃CPU，比如它发出了一个系统调用请求其他资源。
  3. 运行态 → 阻塞态
    • I/O 请求：进程进行I/O操作，由于I/O设备比CPU慢得多，进程会被挂起直到I/O完成。
    • 等待资源：进程等待不可用的资源，如信号量、互斥锁等。
    • 等待事件：如等待其他进程的信号、消息或者某个条件的发生。
  4. 阻塞态 → 就绪态
    • I/O 完成：当 I/O 操作完成，相应的进程会被移至就绪队列。
    • 资源获得：进程所等待的资源变得可用，如获得了互斥锁。
    • 事件发生：进程所等待的事件发生了，如接收到了另一个进程发出的信号。

进程内存空间

  • 用户空间（User Space）：包含 进程 执行的用户程序代码和数据。在 用户空间 中，进程 可以执行各种任务，如运行应用程序、访问文件系统等。用户空间 对于应用程序是可见的，但对于操作系统中的核心功能是不可见的。
    1. 代码区（Text Segment）：也称为“可执行代码区”，存储了 进程 的可执行代码，包括程序的指令和只读数据。这个区域通常是只读的，因为程序的指令在运行时不应被修改。
    2. 数据区（Data Segment），数据区分为两个子区域：
      • 初始化数据区（Initialized Data Segment）：存储全局和静态变量以及初始化的数据。这些变量在程序运行前就已经分配了内存并初始化。
      • 未初始化数据区（Uninitialized Data Segment），也称为 BSS（Block Started by Symbol）段，存储全局和静态变量，但这些变量没有显式的初始化值。操作系统会在程序启动时自动将这个区域初始化为零。
    3. 堆区（Heap）：堆区 是动态分配内存的地方，用于存储程序运行时需要的变量和数据结构。在 堆 中分配的内存需要手动释放，以避免内存泄漏。
    4. 栈区（Stack）：栈区 用于存储函数调用和局部变量。每个函数调用都会在栈上创建一个栈帧，栈帧包含了函数的参数、局部变量以及函数返回地址。栈 是一种后进先出（LIFO）的数据结构，它的大小通常有限，由操作系统或编程语言定义。
    5. 内存映射区域（Memory Mapped Region）：这是一些操作系统或运行时库的扩展，用于存储动态链接库（DLL）和共享库的信息以及其他系统数据结构。
  • 内核空间（Kernel Space）：内核空间 包含了操作系统的核心代码和数据结构，如页表、调度程序和系统调用接口等。内核空间 具有更高的特权级别，可以执行特权指令并且访问系统的各种资源，内核空间 对于用户程序是不可见的。
Process-specific data
structures
(e.g. page tables, tasks and kernel stack)
Physical Memory
Kernel code and data
User stack
Memory-mapped region
for shared libraries
Run-time heap
Uninitialized data (.bss)
Initialized data (.data)
Code (.text)
Different for
each process
Identical for
each process
Kernel
virtual
memory
Process
virtual
memory
low
address
space
high
address
space

函数调用时内存结构

上一个栈帧
上一个栈帧的 EBP
局部变量
callee 的参数列表 n ~ 1
返回地址
caller 栈帧的 EBP
局部变量
下一个函数的参数列表 n ~ 1
返回地址
下一个栈帧
调用函数（caller）的栈帧
被调用函数（callee）的栈帧
高地址，栈底
低地址，栈顶
caller 的 EBP
callee 的 EBP

EBP (base pointer) 指向函数栈（栈帧）的底部（高地址），函数执行过程中在栈帧中分配局部变量，栈帧由高地址向低地址增长，ESP（stack pointer）一直指向栈顶。

每个函数的栈帧中包含如下内容：

  • 上一个函数的 EBP
  • 该函数的局部变量
  • 如果函数内有 call 指令的话，还需要保存额外信息：
    • 下一个函数的参数：依次存储从第 n 个到第 1 个，从高地址到低地址
    • 返回地址：当前 PC 指向的位置，即 call 指令的下一条指令的地址

在函数的调用过程中，调用函数叫做 caller，被调用函数叫做 callee。当我们从 caller 中调用 callee 时，callee 的 EBP 指向的物理地址的上下存储单元分别包含 caller 的返回地址以及 caller 所在栈帧的 EBP，当我们在 callee 中执行 ret 指令时，计算机可以跳转到 caller 中 call 指令的下一条并开始执行，同时 caller 的栈帧也会被恢复。

main
main
f1
main
f1
f2
main
f1
main
高地址
低地址
main(f1(f2()))
时间
函数的栈帧在内存中的结构变化

进程间通信

💡 低优先级
真题练习
偶尔在选择题考察，了解基本 IPC 方式，选择题看到能辨识即可。

进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是指在同一计算机系统中，两个或多个 进程 之间交换数据或信号的机制。常见的 进程间通信 方式主要包含 共享内存、管道、消息队列、信号、套接字 和 信号量。

管道

管道 是一种最基本的 进程间通信 方式，主要用于具有亲缘关系的 进程 之间的数据传递。它分为 无名管道 和 有名管道，其中 无名管道 只能在 父子进程 或 兄弟进程 之间使用，而 有名管道（FIFO）通过文件系统中的特殊文件实现，不要求通信双方存在亲缘关系。

管道 以 字节流 的形式传输数据，具备先进先出的特性，但 只支持单向通信，并且效率相对较低，适用于简单的任务传递。

# 在 linux shell 中使用 | 操作符创建一个管道通信
# cat 进程的标准输出（stdout）会从管道输入到 grep 进程的标准输入（stdin）
cat file.txt | grep word
共享内存

共享内存 是效率最高的一种 进程间通信 方式，允许多个进程将同一段 物理内存 映射到各自的 虚拟地址空间 中，从而直接读写该区域的数据。

由于不需要内核频繁介入，通信效率极高，非常适合大规模数据的快速传输。然而，由于多个进程可同时访问内存区域，必须通过额外的同步机制如 信号量 或 互斥锁 来确保数据一致性，否则容易出现竞争条件和数据错误。

消息队列

消息队列 是一种基于内核的数据结构，允许多个进程以消息为单位进行通信，具有良好的结构化和独立性。进程通过系统调用将消息发送到队列中或从中接收消息，可以实现同步与异步的通信模式。

相比 管道，消息队列 的通信更加灵活，支持优先级管理，适用于需要有序、分类传输数据的场景。但由于涉及内核操作，性能开销相对 共享内存 较大。

用户级线程和内核级线程

💡 低优先级
真题练习
偶尔在选择题考察，了解几种线程模型和映射关系，选择题看到能辨识即可。
  • 用户级线程 （ULT，User Level Thread）
    • 用户级线程 是由应用程序通过线程库来实现的，操作系统内核并不直接感知到这些 线程 的存在。
    • 线程的创建、调度和管理都由应用程序在 用户空间 完成。
  • 内核级线程 （KLT，Kernel Level Thread）
    • 内核级线程 是由操作系统内核直接支持的线程。
    • 线程的创建、调度和管理都由 操作系统内核 完成。

线程模型

操作系统中的 线程实现方式 称为 线程模型，不同的 线程模型 在 用户级线程（ULT）和 内核级线程（KLT）的设计上各有不同。

系统中的 线程模型 可以分为如下三种：

  • 纯用户态：所有的线程操作都在用户空间中进行，内核对线程的存在一无所知。
  • 纯系统态：线程由操作系统内核直接支持和管理，内核负责线程的创建、调度和管理。
  • 混合方案：应用程序可以在用户空间管理多个用户级线程，这些线程映射到较少数目的内核级线程。
Thread
Library
P
User
Space
Kernel
Space
P
User
Space
Kernel
Space
P
User
Space
Kernel
Space
P
Thread
Library
a) Pure user-level
b) Pure kernel-level
c) combined
user-level thread
kernel-level thread
P
Process

混合方案中的映射关系

如果使用 混合方案 的 线程模型 的话，用户级线程 和 内核级线程 的映射方式也可以分为如下几种：

  • 一对一：每一个用户级线程都对应一个内核级线程。
  • 多对一：多个用户级线程映射到同一个内核级线程上。
  • 多对多：多个用户级线程映射到多个内核级线程上。